绪论
一、土力学、地基与基础的含义
1.土力学
土是地壳岩石经受强烈风化的天然历史产物，是各种矿物颗粒的集合体。土由固体颗粒、水和空气三相组成，包括颗粒间互不联结、完全松散的无黏性土和颗粒间虽有联结、但联结强度远小于颗粒本身强度的黏性土。土具有颗粒性、孔隙性、多样性、透水性、压缩性、变异性、可移动性等特点。
土力学是用力学的基本原理和土工测试技术，研究土的物理性质以及受外力发生变化时土的应力、变形、强度和渗透等特性及其规律的一门学科，即研究土的工程性质和在力系作用下土体性状的学科。一般认为，土力学是工程力学的一个分支，但由于土具有复杂的工程特性，因此，目前在解决土工问题时，尚不能像其他力学学科一样具备系统的理论和严密的数学公式，而必须借助经验、现场试验以及室内试验辅以理论计算。所以，土力学是一门强烈依赖于实践的学科。
2.地基与基础
建筑物、构筑物的全部荷载均由其下的地层来承担。受建筑物、构筑物影响的那一部分地层称为地基（指支承基础的土体或岩石）；建、构筑物中将上部结构所承受的各种荷载传递到地基上的结构组成部分称为基础。当地基由两层以上土层组成时，通常将直接与基础接触的土层称为持力层，其下的土层称为下卧层。上部结构、基础与地基的相互关系如图0-1所示。
图0-1 上部结构、地基与基础示意图
天然土层可以作为建筑物地基的称为天然地基；需经人工加固处理后才能作为建筑物地基的称为人工地基。基础有多种型式，通常把相对埋深不大、采用一般方法与设备施工的基础称为浅基础，如单独基础、条形基础、片筏基础、箱形基础、壳体基础等；而把基础埋深较大且需借助于特殊的施工方法才能将建筑物荷载传递到地表以下较深土（岩）层的基础称为深基础，如桩基础、墩基础、沉井基础、地下连续墙等。
为保证建筑物的安全，地基应满足以下要求：
（1）地基应有足够的强度。即作用于地基上的荷载（基底压力）不超过地基的承载力，防止地基土产生剪切破坏或失稳。
（2）地基不能产生过大的变形。控制基础沉降不超过允许值，防止建筑物产生过大的沉降或不均匀沉降而影响正常使用。
二、土力学与地基基础的重要性
土力学的原理和方法可用来估算土与建筑物或构筑物之间的相互作用，因而成为基础工程、堤坝、支挡结构、隧道、海港、矿山等工程设计的主要依据。地基和基础是建筑物或构筑物的根基，属于地下隐蔽工程，质量事故不易发现，一旦出现则很难补救或无法挽回，所以地基基础勘察、设计和施工质量直接影响建筑物或构筑物的安全。由于地基土复杂多变、施工难度大、工期长、劳动力消耗高，所以地基基础造价比较高，一般占工程总造价的20%～30%，相应的施工工期约占建筑总工期的20%～25%。因此地基基础的勘察、设计和施工对建筑工程影响很大。
地基和基础的质量事故主要体现在以下几个方面。
1.变形问题
著名的意大利比萨斜塔和我国的苏州虎丘塔所发生的塔身严重倾斜，就是地基非均匀沉降所致。意大利比萨斜塔自1173年9月8日动工，至1178年建至第4层中部、高度29m时，因塔明显倾斜而停工。94年后，1272年复工，经6年时间建完第7层，高48m，再次停工中断82年。1360年又开始在塔顶建造钟楼顶阁，至1370年竣工，前后历经近200年。该塔共8层，高55m，全塔总荷重145000kN，相应的地基平均压力约为50kPa。地基持力层为粉砂，下面为粉土和黏土层。由于地基的不均匀下沉，塔向南倾斜，南北两端沉降差1.8m，塔顶离中心线已达5.27m，倾斜5.5°，成为危险建筑。我国苏州虎丘塔建于959—961年，为七级八角形砖塔，塔底直径13.66m，塔身高47.5m，塔重63000kN。1978年，塔顶位移2.3m，塔的重心偏离基础轴线0.924m。1978年6月开始对地基加固，1983年5月完成，地基沉降趋于稳定。
2.强度问题
建于1941年的加拿大特朗斯康谷仓，由于地基强度破坏而发生了整体滑动，是建筑物失稳的典型例子，如图0-2所示。加拿大特朗斯康谷仓，南北长59.44m，东西宽23.47m，高31.00m。基础为钢筋混凝土筏板基础，厚61cm，埋深3.66m。谷仓1911年动工，1913年秋完成。谷仓自重20000t，相当于装满谷物后总重的42.5%。1913年9月装谷物，10月17日至31822m3时，发现谷仓1h内沉降达30.5cm，并向西倾斜，24h后倾倒，西侧下陷7.32m，东侧抬高1.52m，倾斜27°。事故的原因是：设计时未对谷仓地基承载力进行调查研究，而采用了邻近建筑地基352kPa的承载力，事后1952年的勘察试验与计算表明，基础下埋藏有厚达16m的软黏土层，该地基的实际承载力为193.8～276.6kPa，远小于谷仓地基破坏时329.4kPa的地基压力，地基因超载而发生强度破坏。
3.渗透问题
洪湖长江干堤八十八潭，1998年发生溃口性险情就与渗透破坏有关。洪湖长江干堤八十八潭险段地形平坦，地面高程25.00m左右，堤外侧滩较窄，堤内侧为燕窝镇政府所在地，房屋密集，并有些渊塘分布。1998年汛期，该堤段距堤内脚55～320m处水塘内发生6孔管涌，管涌直径0.05～0.55m，7月12日发生溃口性险情。该溃口性险情系因堤基的第三层细砂层和第五层粉细砂层中的渗流顶穿堤内侧上覆土层薄弱处而引起的渗透变形破坏。
图0-2 加拿大特朗斯康谷仓
三、本学科发展概况
作为工程技术，基础工程是一项古老的工艺。只要建造建筑物，注定离不开地基和基础，因此，作为一项工程技术，基础工程的历史源远流长。但在现代社会以前，人们只能依赖于实践经验的不断积累和能工巧匠的技艺更新来发展这项技术，限于当时生产力的发展水平，基础工程还未能提炼成为系统的科学理论。因此，作为应用科学，基础工程又是一门年轻的学科。
作为本学科理论基础的土力学的发展历史可以划分为古典土力学和现代土力学两个阶段：
1773年，法国的库仑（Coulomb）提出砂土的抗剪强度公式和挡土墙土压力的刚性滑动楔体理论。
1855年，法国的达西（Darcy）提出了土的层流渗透定律。
1857年，英国的郎肯（Rankine）提出了挡土墙土压力塑性平衡理论。
1885年，法国的布辛奈斯克（Boussinesq）求得了弹性半空间表面竖向集中力作用时的应力、应变的理论解答。
1915年，由瑞典的彼得森（Petterson）首先提出，后由瑞典的费伦纽斯（Fellenius）等人进一步发展的土坡整体稳定分析的圆弧滑动面法。
1920年，法国的普朗特（Prandtl）提出的地基剪切破坏时的滑动面形状和极限承载力公式。
1925年，美国太沙基（Terzaghi）出版了第一部土力学专著，比较系统地阐述了土力学的主要理论。该专著标志着近代土力学的开始，从此土力学成为一门独立的学科。
1936年以来，已召开了十几届国际土力学和基础工程会议。随着现代科技成就在该领域的逐步渗透，试验技术和计算手段有了长足进步，从而推动了该门学科的发展。时至今日，土木、水利、道桥、港口等有关工程中大量复杂的地基与基础工程问题的逐一解决，为该门学科积累了丰富的经验。当然，由于土的性质的复杂性，土力学与地基基础还远没有成为具有严密理论体系的学科，还需要不断地实践和研究。
四、本课程的特点和内容
1.本课程的特点
本课程是一门重要的专业核心课程，可分为土力学和基础工程两个部分，具有较强的理论和实践性，涉及工程地质学、水力学、建筑材料、结构设计和施工技术等学科领域，知识面广、内容多、综合性强。由于地基土的区域性、土性差异大，因地制宜，密切结合工程实际处理地基基础问题是非常重要的。为保证工程安全可靠，制定了一系列国家标准规范，但由于地基基础的实践性很强，除合理应用国家规定的标准规范以外，还需灵活应用地区规范、规程和规定。
2.本课程的内容
本课程主要有三部分内容：第一部分是地基基础的理论基础，土的组成、分类、基本性质（物理性质和力学性质）；第二部分是地基基础的应用基础，包括土体受力后的应力、强度、变形与稳定性问题；第三部分是地基基础的实践，包括浅基础和桩基础设计、软弱地基处理。
五、本课程的学习要求及建议
1.学习要求
（1）掌握土的物理性质和力学特性。
（2）掌握常规土工试验的理论与操作技术。
（3）掌握土的应力、强度、变形与土压力计算等土力学基本原理。
（4）掌握浅基础和熟悉桩基础设计方法，能分析和解决地基基础的工程问题。
2.学习建议
本课程的学习应以能力实现为目的，注意理论与实践相结合，善于分析、勤于总结。
（1）理论学习。掌握理论公式的意义和应用条件，明确理论的假定条件，掌握理论的适用范围。
（2）试验技能。熟悉测试土的物理性质和力学性质的基本手段；重点掌握基本的土工试验技术，尽可能多动手操作，从实践中获取知识、积累经验。
（3）实践技能。经验在工程应用中是必不可少的，工程技术人员要不断从实践中总结经验，以便能切合实际地解决工程实际问题。